The arithmetic-geometric mean  of two numbers  and  (often also written  or ) is defined by starting with  and , then iterating

			(1)
			(2)

until  to the desired precision.

 and  converge towards each other since

			(3)
			(4)

But , so

(5)

Now, add  to each side

(6)

so

(7)

The top plots show  for  and  for , while the bottom two plots show  for complex values of .

The AGM is very useful in computing the values of complete elliptic integrals and can also be used for finding the inverse tangent.

It is implemented in the Wolfram Language as ArithmeticGeometricMean[a, b].

 can be expressed in closed form in terms of the complete elliptic integral of the first kind  as

(8)

The definition of the arithmetic-geometric mean also holds in the complex plane, as illustrated above for .

The Legendre form of the arithmetic-geometric mean is given by

(9)

where  and

(10)

Special values of  are summarized in the following table. The special value

(11)

(OEIS A014549) is called Gauss's constant. It has the closed form

			(12)
			(13)

where the above integral is the lemniscate function and the equality of the arithmetic-geometric mean to this integral was known to Gauss (Borwein and Bailey 2003, pp. 13-15).

	Sloane	value
	A068521	1.4567910310469068692...
	A084895	1.8636167832448965424...
	A084896	2.2430285802876025701...
	A084897	2.6040081905309402887...

The derivative of the AGM is given by

			(14)
			(15)

where ,  is a complete elliptic integral of the first kind, and  is the complete elliptic integral of the second kind.

A series expansion for  is given by

(16)

The AGM has the properties

			(17)
			(18)
			(19)
			(20)

Solutions to the differential equation

(21)

are given by  and .

A generalization of the arithmetic-geometric mean is

(22)

which is related to solutions of the differential equation

(23)

The case  corresponds to the arithmetic-geometric mean via

			(24)
			(25)

The case  gives the cubic relative

			(26)
			(27)

discussed by Borwein and Borwein (1990, 1991) and Borwein (1996). For , this function satisfies the functional equation

(28)

It therefore turns out that for iteration with  and  and

			(29)
			(30)

so

(31)

where

(32)

REFERENCES:

Abramowitz, M. and Stegun, I. A. (Eds.). "The Process of the Arithmetic-Geometric Mean." §17.6 in Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover, pp. 571 and 598-599, 1972.

Borwein, J. and Bailey, D. Mathematics by Experiment: Plausible Reasoning in the 21st Century. Wellesley, MA: A K Peters, 2003.

Borwein, J. M. Problem 10281. "A Cubic Relative of the AGM." Amer. Math. Monthly 103, 181-183, 1996.

Borwein, J. M. and Borwein, P. B. Pi & the AGM: A Study in Analytic Number Theory and Computational Complexity. New York: Wiley, 1987.

Borwein, J. M. and Borwein, P. B. "A Remarkable Cubic Iteration." In Computational Method & Function Theory: Proc. Conference Held in Valparaiso, Chile, March 13-18, 1989 (Ed. A. Dold, B. Eckmann, F. Takens, E. B. Saff, S. Ruscheweyh, L. C. Salinas, and R. S. Varga). New York: Springer-Verlag, 1990.

Borwein, J. M. and Borwein, P. B. "A Cubic Counterpart of Jacobi's Identity and the AGM." Trans. Amer. Math. Soc. 323, 691-701, 1991.

Press, W. H.; Flannery, B. P.; Teukolsky, S. A.; and Vetterling, W. T. Numerical Recipes in FORTRAN: The Art of Scientific Computing, 2nd ed. Cambridge, England: Cambridge University Press, pp. 906-907, 1992.

Sloane, N. J. A. Sequences A014549, A068521, A084895, A084896, and A084897 in "The On-Line Encyclopedia of Integer Sequences."

اخر الاخبار

اخبار العتبة العباسية المقدسة

قسم التطوير يقيم دورة عن أخلاقيات المهنة للمنتسبين الجدد

تتضمن زيارة المراقد المقدسة في كربلاء.. معهد القرآن الكريم النسوي ينظم سفرة دينية لطالباته

المجمع العلمي يحتفي بذكرى ولادة الإمامين الباقر والهادي (عليهما السلام)

قسم الشؤون الفكرية يطلق فعاليات الأسبوع الثالث من برنامج البذرة الصالحة

المزيد

الآخبار الصحية

ثورة طبية.. الذكاء الاصطناعي يكشف سرطان الكلى في وقت قياسي

لتعزيز الطاقة والتغلب على التعب.. عليك بـ7 طرق بسيطة

لتحسين الهضم والتحكم في الشهية.. ما أفضل وقت لتناول التمر؟

خبراء يكشفون تأثير الاستحمام في الظلام على جودة النوم !

المزيد

الآخبار التكنلوجية

إزالة ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي.. ما دور المحيطات والبحار؟

نظائر الهيليوم مقياس لاكتشاف رواسب الذهب.. كيف ذلك؟

الصين تطلق أول ناقلة نفط خام ذكية في العالم تعمل بالميثانول

الزمن على المريخ أسرع من الأرض.. دراسة علمية تكشف الفوارق

المزيد